CC BY
90
УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ
В.Ф. ДАВЫДОВ, проф. каф. БЖДМГУЛ, канд. техн. наук, В.И. КУЧЕРЯВЫЙ, доц. каф. БЖД МГУЛ, канд. техн. наук, Ю.П. БАТЫРЕВ, доц. каф. ИИС и ТПМГУЛ, канд. техн. наук
batyrev@mgul.ac.ru
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» 141005, Московская обл., г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ
Вопросы по изучению возможности воздействия на внешнюю среду с целью изменения погодных условий являются крайне актуальными как с локальной, так и с глобальной точки зрения. Главной проблемой при таком воздействии оказывается отношение затратности воздействия к произведенному этим воздействием результату. В статье рассматривается способ воздействия на атмосферные воздушные массы устройством коррекции погодных условий, основанный на физическом явлении гидратации первичных ионов, сопровождающимся выделением энергии (скрытой теплоты испарения) с созданием конвективного потока, а также дается краткое описания устройства коррекции, его состава и принципа взаимодействия функциональных блоков. Указаны основные преимущества данного устройства, заключающиеся в возможности оперативного и целенаправленного воздействия на воздушные массы.
Ключевые слова: циркуляции воздушных масс, гидратация ионов, скорость теплового потока, сила Лоренца, теплота конденсации.
Важным вопросом метеорологии является целенаправленное изменение естественной циркуляции воздушных масс при анти-циклональных погодных условиях.
Учитывая, что энергия атмосферных процессов весьма велика, использование прямых методов воздействия на них с энергетической точки зрения нецелесообразно. Основным принципом, реализуемым при активных методах воздействия на метеорологические процессы, является создание условий, исполняющих роль «спускового крючка» в запуске естественных лавинообразных процессов.
Известны два основных способа изменения погодных условий:
- рассеивание в облаках химических реагентов с самолетов или обстрел облаков высокоточным оружием;
- электрический метод генерации в атмосферу ионов коронирующего электрического разряда.
Для решения подобных задач было предложено устройство коррекции погодных условий [1-3], схематически показанное на рис. 1.
Устройство содержит линейный ускоритель 1 для бомбардировки молекул воздуха коллимированным пучком высокоэнергетич-ных электронов в вертикальной плоскости, включающий в себя секцию инжекции электронов 2, выходную секцию 3 регулировки энергии пучка посредством аттенюатора 4.
Излучающий торец 5 выходной секции 3 охвачен витками соленоида 6, расположенного в вертикальной плоскости и электрически включенного в цепь заземлителя 7 источника питания 8 ускорителя. Стойка-стеллаж 9 предназначена для монтажа и размещения устройства на местности и изготовлена из композиционного высокопрочного изоляционного материала.
Установленным является физическое явление гидратации первичных ионов, состоящее в присоединении дипольных молекул воды (из водяного пара воздуха) к несущим электрический заряд ионам. Концентрация водяного пара в атмосфере проиллюстрирована на рис 2. Процесс гидратации ионов и последующей коагуляции (обволакивания) сопровождается выделением энергии (скрытой теплоты испарения), что и создает конвективный поток в тропосфере [4, 5].
Быстротечность процесса зависит от концентрации генерируемых ионов в определенном объеме и длительности воздействия. В случае резкого увеличения скорости ионизации, как это имеет место при облучении атмосферы мощным пучком элементарных частиц, гидратация ионов приобретает взрывной характер (в литературе этот процесс называют ионостимулированной нуклеацией) и образуются крупные ионные кластеры размером несколько микрометров. В результате происходит конденсация во-
Рис. 1. Устройство коррекции погодных условий Fig. 1. Apparatus correction weather
дяного пара, при которой выделяется скрытая теплота испарения. В одном м3 воздуха содержится (рис. 2) примерно один моль водяного пара (один моль Н2О равен 18 г.),
при конденсации которого выделяется энергия, равная 9,7 ккал (теплота парообразования воды 539 ккал/кг, в пересчете на моль 539 (кал/г) х 18 (г) = 9702 кал). Выделение
тепловой энергии приводит к образованию восходящего конвективного потока.
При превышении числа Ричардсона (градиента скорости теплового потока на концентрацию ионов) [6] происходит сдвиг антициклона и выпадение осадков. Критическими факторами, способствующими инициированию лавинообразных процессов в атмосфере, являются интенсивность ионного потока и его температурный градиент. Интенсивность потока пропорциональна величине ионного тока, а температурный градиент определяется скоростью образования ионных пар в единице объема или величиной высвобождаемой энергии, скрытой теплоты конденсации.
Для генерации ионов используют процесс ударной ионизации молекул воздуха облучением пучком высокоэнергетичных электронов от линейного ускорителя с регулируемой энергией электронов в диапазоне от 3 до 14 МЭВ [7]. Ускорители элементарных частиц (электронов, позитронов, ионов), получившие название «РеПейоп», работают при напряжениях порядка нескольких МВ и токах в пределах единиц мА [8].
Скорость образования ионных пар в единице объема зависит от начальной энергии электронов в пучке Ео (МЭВ), энергии ионизации одной пары А Еюп ~ 0,035 кЭВ, концентрации молекул воздуха (плотность воздуха у поверхности земли ~ 1,3 кг/м3, что составляет ~ 43 моля/м3) и величины тока ионизации [9].
Применительнокпараметрамвышеука-занных ускорителей Ео ~ 14 МЭВ, ток ~ 0,5 мА, тогда скорость образования ионных пар оценивается величиной
Рис. 2. Концентрация водяного пара в атмосфере Fig. 2. The concentration of water vapor in the atmosphere
q ~ (Ео / АЕюп) х I ~ (14 / 0,035 х 10-3)х X 1019 х 0,5 х 10-3 ~ 2 х 10 21 (1/сек).
Плотность концентрации ионов в восходящем потоке достигается также их завихрением в магнитном поле соленоида 6. Известно, что на движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца [10]
F = q х у х В, где q - величина заряда частицы 1,6 х х 10-19 Кл, у - скорость движения ~ 400 м/с, В - вектор индукции магнитного поля.
Сила Лоренца не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения заряженной частицы. Завихрение происходит по винтовой линии, радиус кривизны которой определяется из соотношения
Я = (т х у)/^ х В), где т - масса аэроиона кислорода воздуха.
Кроме завихрения, аэроион приобретает преимущественное направление перемещения вдоль линий напряженности магнитного поля (вдоль оси соленоида). При известных постоянных значениях величин q, т, у радиус завихрения зависит только от выбора величины индукции магнитного поля В. Магнитное поле соленоида 6 создается при протекании через его обмотку постоянной составляющей тока ускорителя посредством включения соленоида в цепь заземлителя 7 источника питания 8.
Напряженность магнитного поля на оси соленоида определяется величиной тока (единицы мА), числом витков, диаметром навивки и длиной соленоида. Соленоид выполняет роль «рупора», позволяющего канализировать поток ионов в одном из преимущественных направлений, совпадающих с осью соленоида (вертикально вверх). Полное завихрение потока ионов внутри соленоида достигается при следующих конструктивных размерах: длина соленоида 1,5 м, диаметр навивки 2 м, число витков 4.
При значениях скорости образования ионных пар (~ 2 х 1018 1/с-1) критические значения числа Ричардсона, вызывающие выпадение осадков, достигаются в интервале вре-
мени ~ 30 мин после включения устройства. Эффективность устройства характеризуется мобильностью, большой скоростью образования ионов и, как следствие, сокращением времени до выпадения осадков после включения установки.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ.
Библиографический список
1. Давыдов, В.Ф. и др. Устройство коррекции погодных условий в атмосфере: Пат. 2516223 Российская Федерация / В.Ф. Давыдов и др. - опубл. 20.05.2014 г.
2. Давыдов, В.Ф. и др. Устройство инициирования струйных течений в атмосфере: Пат. 2502255 Российская Федерация / В.Ф. Давыдов и др. - опубл. 27.12.2013 г.
3. Давыдов, В.Ф. и др. Способ инициирования процессов в атмосфере: Пат. 2502256 Российская Федерация / В.Ф. Давыдов и др. - опубл. 27.12.2013 г.
4. Лаверов, Н.П. Использование теплового эффекта ионизации атмосферы для дистанционной диагностики радиоактивного заражения окружающей среды / Н.П. Лаверов и др. // Доклады Академии Наук. Сер. Геофизика, 2011. - Т. 441 (№ 2). - С. 1-4.
5. Зусман, Г.А. Курс общей физики / Г.А. Зусман. - М.: Наука, 1964. - С. 225.
6. Пулинец, С.А. Ударная ионизация молекул атмосферы пучком элементарных частиц / С.А. Пулинец // Труды Института прикладной геофизики им. К.Е. Федорова, РАН, вып. 90. - М.: Госгидромет, 2011.
- С. 149-150.
7. Патент США № 4.118.635, «The ICRIS System Technical Description».
8. ttps://ru.wikipedia.org/wiki/Пеллетрон.
9. Известия ВУЗов, Радиофизика. - Т. XLV. - № 4. - 2002.
- С. 291-292.
10. Советский энциклопедический словарь под ред. А.М. Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - С. 375.
DEVICE CORRECTION OF WEATHER CONDITIONS
Davydov V.F., Prof. MSFU, Ph.D (Tech.); Kucheryavy V.I., Assoc. Prof. MSFU, Ph.D (Tech.); Batyrev Y.P. Assoc. Prof.
MSFU, Ph.D (Tech.)
batyrev@mgul.ac.ru
Moscow State Forest University (MSFU), 1st Institutskaya st., 1, 141005, Mytischi, Moscow reg., Russia
The issues of exploring a possible impact on the environment to change the weather conditions are highly relevant for both a local and a global perspective. The main problem of such exposure is the ratio of costs on the impact of exposure to the result produced. The article discusses a way to influence the atmospheric air mass by a weather conditions correction device based on the physical phenomenon of hydration of the primary ions, accompanied by the release of energy (latent heat of evaporation) with the creation of the convective flow.The article also briefly describes the correction device, its composition and the principle of interaction of its functional units. The main advantages of this device is the ability to quickly and deliberate influence the air masses.
Keywords: circulation of air masses, the hydration of the ions, the rate of heat flow, the Lorentz force, the heat of condensation.
References
1. Davydov V.F. Ustroystvo korrektsiipogodnykh usloviy atmosfere [Device correction the weather conditions in the atmosphere]: Pat. 2516223 Rossiyskaya Federatsiya. publ. 20.05.2014.
2. Davydov V.F. Ustroystvo initsiirovaniya struynykh techeniy v atmosfere [The device initiating of jet streams in the atmosphere]: Pat. 2502255 Rossiyskaya Federatsiya. publ. 27.12.2013.
3. Davydov V.F. Sposob initsiirovaniyaprotsessov v atmosfere [The method of initiation processes in the atmosphere]: Pat. 2502256 Rossiyskaya Federatsiya. publ. 27.12.2013.
4. Laverov N.P. Ispol'zovanie teplovogo effekta ionizatsii atmosfery dlya distantsionnoy diagnostiki radioaktivnogo zarazheniya okruzhayushchey sredy [Using the thermal effect of ionization of the atmosphere for remote diagnostics of radioactive contamination of the environment]. Doklady Akademii Nauk. Ser. Geofizika, 2011. T. 441 (№ 2). pp. 1-4.
5. Zusman G.A. Kurs obshchey fiziki. [General physics course]. Moscow: Nauka, 1964. pp. 225.
6. Pulinets S.A. Udarnaya ionizatsiya molekul atmosfery puchkom elementarnykh chastits [Impact ionization of the molecules of the atmosphere elementary particles beam]. Trudy Instituta prikladnoy geofiziki im. K.E. Fedorova, RAN, vyp. 90. Moscow: Gosgidromet, 2011. pp. 149-150.
7. Patent SShA № 4.118.635, «The ICRIS System Technical Description».
8. ttps://ru.wikipedia.org/wiki/Pelletron.
9. Izvestiya VUZov. Radiofizika [Proceedings of the universities, Radio]. V. XLV, № 4, 2002. pp. 291-292.
10. Sovetskiy entsiklopedicheskiy slovar'pod red. A.M. Prokhorova [Soviet Encyclopedic Dictionary, ed. AM Prokhorov]. Moscow: Sovetskaya entsiklopediya, 1989. pp. 375.
